CN107023603B - 一种自适应吸振器 - Google Patents

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Abstract

一种自适应吸振器，包括吸振系统和主控系统两大部分，吸振系统和主控系统集成在一个壳体中，壳体自上而下包括上壳体、中壳体、下壳体，吸振系统至少包括设置在上壳体与盖板之间的质量块、螺旋弹簧，以及设置在盖板与中壳体之间的空气弹簧、分隔活塞、螺杆、下伺服电机、选择齿轮、主齿轮、上伺服电机；空气弹簧的气室内部设置一个可上下移动的分隔活塞，分隔活塞将空气弹簧的气室分隔为上气室、下气室，上气室、下气室的容积比通过分隔活塞上、下运动改变；主控系统包括穿墙插座、电源、主控板卡和传感器。本发明结构简单、使用方便、成本低，振动抑制能力好，且功耗相比于主动振动抑制方法大为降低；减振效率高，能适应各种工况，应用范围广。

Description

一种自适应吸振器
技术领域
本发明涉及振动抑制装置领域，具体涉及一种自适应吸振器，用于抑制各种机械设备结构件振动。
背景技术
振动是各种机械设备在运转过程中不可避免地产生的一种运动形式。振动的危害有很多，轻则造成设备噪声过大、定位不准确、工作性能下降等问题，重则使设备运动失常，过早产生疲劳破坏，危害人身和财产安全。因此，对于设备结构件的振动抑制一直是工程技术领域的研究热点。
目前，对于设备振动的抑制通常是采用两种方式，即主动式和被动式。其中，主动式振动抑制是采用传感器实时监测设备的振动状态，通过一定的算法预先估计出设备的运动状态，进而通过执行机构采取一定的措施，使设备的振动量级大为降低。主动式振动抑制具有效果好、精度高等优点，但由于需要通过执行器直接对设备进行驱动，其结构复杂、体积大、成本高，且需要提供大量能源，因而使其应用范围受到一定的限制。被动式振动抑制则通过改善设备结构件的刚度和阻尼等动力学特征，使设备在同等扰动激励下的振动幅度更小，被动方式结构简单、可靠性高、成本低、无需供能，应用范围十分广泛，但由于被动振动抑制方式结构参数固定、适应性差，当工况发生变化时，振动抑制效果大为降低。
在对振动抑制效果有较高要求，且能源供应不便利的情况下，主动振动抑制和被动振动抑制方法均存在局限性，尤其是野外作业设备的振动抑制。主动振动抑制虽然效果好、在不同的工况下性能不会下降，但其成本和功耗是制约其广泛应用的瓶颈。被动振动抑制虽然可靠性高、无需供能，但其振动抑制能力随着使用工况不同而发生显著变化，难以满足复杂工况下的使用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有设备振动抑制技术存在的上述不足，提供一种自适应吸振器，该吸振器结构简单、设计合理、使用方便、成本低，能够根据环境工况的不同自动调整自身参数，而无需人为干预，使其始终具有较好的振动抑制能力，且功耗相比于主动振动抑制方法大为降低；减振效率高，能自适应各种工况，应用范围广。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种自适应吸振器，包括吸振系统和主控系统两大部分，吸振系统和主控系统集成在一个壳体中，壳体自上而下包括上壳体、中壳体、下壳体，中壳体上端通过盖板与上壳体固定连接，中壳体下端与下壳体固定连接；
所述吸振系统至少包括设置在上壳体与盖板之间的质量块、螺旋弹簧，以及设置在盖板与中壳体之间的空气弹簧、分隔活塞、螺杆、下伺服电机、选择齿轮、主齿轮、上伺服电机；所述质量块的下端设置在盖板上、上端与螺旋弹簧的下端固定连接，螺旋弹簧的上端与安装在上壳体顶部的弹簧座固定连接；
所述空气弹簧和螺旋弹簧共同支撑质量块，空气弹簧的气室由中壳体、盖板以及盖板与质量块之间的密封膜上压板、密封膜、密封膜下压板围成的密闭空间组成，空气弹簧的气室内部设置一个可上下移动的分隔活塞，分隔活塞将空气弹簧的气室分隔为上气室、下气室，上气室由盖板、密封膜上压板、密封膜、密封膜下压板、分隔活塞以及中壳体的上部组成，下气室由分隔活塞和中壳体下部组成，上气室、下气室的容积比通过分隔活塞上、下运动改变；所述分隔活塞上设置一个螺纹孔，螺杆穿过分隔活塞上的螺纹孔，且螺杆的下部与下伺服电机的输出轴固定连接、上部与盖板上的沉孔配合连接；选择齿轮可转动地安装在分隔活塞上，上气室、下气室通过分隔活塞上的节流孔及选择齿轮上的通气孔连通，主齿轮与选择齿轮啮合且主齿轮与上伺服电机的输出轴固定连接；
所述主控系统包括穿墙插座、电源、主控板卡和传感器，所述传感器用于监测下壳体的振动信号，并将振动信号传递给主控板卡；所述主控板卡用于读取下伺服电机、上伺服电机上编码器的读数，并驱动下伺服电机、上伺服电机运动，调整空气弹簧的刚度和阻尼特性。
按上述方案，所述吸振系统还包括导向轴，质量块的两端对称设置有通孔，导向轴设置两组，两组导向轴分别穿设在质量块两端的通孔内，且导向轴的上下两端分别与上壳体的顶部和盖板固定连接(质量块受导向轴限制只能沿着导向轴的轴线方向运动)。
按上述方案，所述弹簧座通过螺纹配合与上壳体连接，通过旋转弹簧座使弹簧座沿着上壳体的回转轴线运动，通过调整弹簧座的位置，进而调整螺旋弹簧的压缩量。
按上述方案，所述密封膜设置于盖板与密封膜上压板中间，以及质量块与密封膜下压板中间，盖板与密封膜上压板固定连接从而压紧密封膜，质量块与密封膜下压板固定连接从而压紧密封膜。
按上述方案，所述分隔活塞上开有一系列不同面积大小不同的节流孔，气体流进节流孔时产生节流效应(不同的节流孔节流效果不同)，选择齿轮上设有一个通气孔(通气孔的开口面积较大，不具有节流效应)，通过旋转选择齿轮到不同位置，使通气孔与某一节流孔重合，上气室、下气室通过该节流孔及通气孔连通。
按上述方案，所述分隔活塞中心设有一凸起的连接轴，选择齿轮通过压圈与该连接轴配合连接(选择齿轮与分隔活塞同轴设置)，压圈与连接轴固定连接。
按上述方案，所述分隔活塞位于中壳体的内部，分隔活塞的外围固定设置密封圈，密封圈与中壳体密封接触(分隔活塞与中壳体之间通过密封圈密封)。
按上述方案，所述上伺服电机固定在上电机支架上，上电机支架与分隔活塞固定连接。
按上述方案，所述下伺服电机固定在下电机支架上，下电机支架与中壳体固定连接。
按上述方案，所述穿墙插座与中壳体固定连接，电源、主控板卡和传感器与下壳体固定连接。
本发明的工作原理：由于质量块自身重量的原因，吸振器在垂直方向和水平方向的位置是不一样的，因此需要通过弹簧座改变螺旋弹簧的初始位置，旋转弹簧座使弹簧座沿着上壳体的回转轴线运动，通过调整弹簧座的位置，进而调整螺旋弹簧的压缩量，使质量块在不同工况下的初始位置一样。通过下伺服电机输出轴的旋转带动螺杆旋转，当下伺服电机驱动螺杆旋转时，由于螺杆与分隔活塞上的螺纹配合，分隔活塞沿着螺杆轴线上下移动，通过分隔活塞的移动改变上、下两个气室的容积，调整空气弹簧的刚度和阻尼特性，使吸振器达到最佳的减振效果；通过上伺服电机旋转带动主齿轮旋转，主齿轮旋转带动选择齿轮旋转，使选择齿轮转动到不同的位置，实现上气室、下气室的气体流通，改变空气弹簧的上、下两个气室中的气体交换的速度，即改变空气弹簧的阻尼效果。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明可根据实际工况自适应调节吸振器的动力学参数，使吸振器的振动抑制能力始终达到最优；相比于主动振动抑制方式，本发明避免采用高成本高功耗的直接驱动方式，而是仅对吸振器的结构参数做调整，具有成本低、可靠性高、体积小等优势；相比于被动振动抑制方式，本发明能够根据实际工况下振动频率的不同，自适应调整吸振器的刚度和阻尼系数，而无需人为干预，使吸振器的最佳减振频率始终与实际振动频率相同，克服了被动振动抑制方式中减振带宽窄的问题；
2、双气室空气弹簧采用内部分隔活塞的设计，通过移动分隔活塞的位置，改变两个气室的体积，达到最佳的体积比，该结构并不需要额外附加一个气室，且巧妙的将调整机构设计在气室内部，节省了空间，有利于装置的小型化；
3、改变传统采用伺服阀控制节流孔大小的方式，本发明中，在分隔活塞上设置一系列不同孔径的节流孔，同时采用具有一个通气孔的选择齿轮作为调整机构，通过转动选择齿轮，使分隔活塞上需要选择的节流孔与选择齿轮上通气孔对应，两气室连通；由于通气孔面积设置较大，对旋转角度精确度要求不高，相比于位置控制精确的伺服阀，使制造成本大幅降低，且结构简单可靠、使用寿命长；
4、采用封闭式空气弹簧的设计，无需外部提供气源，大幅降低成本，并扩大吸振器的应用范围；同时，采用螺旋弹簧和空气弹簧并联的方式，使螺旋弹簧的位置可调，从而保证在不同方向下使用时，质量块均处在相同的初始位置，使吸振器具有多方向使用能力；
5、采用周期调整的工作模式，每隔一段时间对设备的振动情况进行一次判别，并根据最优参数对吸振器分隔活塞和选择齿轮进行调整，即满足实际工程使用需要，又能够将吸振器的功耗降到最低，延长使用时间，扩大吸振器的应用范围，可广泛应用于工程设备的减振，尤其是野外作业并对振动条件要求较高的设备减振。
附图说明
图1为本发明自适应吸振器的总体结构剖面图；
图2为本发明分隔活塞的结构示意图；
图3为本发明选择齿轮的结构示意图；
图4为本发明的局部结构示意图；
图5为本发明自适应吸振器的工作流程图；
图中，1-上壳体；11-盖板；12-质量块；13-导向轴；14-螺旋弹簧；15-弹簧座；16-密封膜上压板；17-密封膜；18-密封膜下压板；2-中壳体；20-分隔活塞；201-节流孔；202-螺纹孔；21-密封圈；22-选择齿轮；221-通气孔；23-压圈；24-主齿轮；25-上电机支架；26-上伺服电机；27-螺杆；28-下伺服电机；29-下电机支架；3-下壳体；30-穿墙插座；31-电源；32-主控板卡；33-传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
如图1所示，本发明实施例所述的自适应吸振器，包括吸振系统和主控系统两大部分，吸振系统和主控系统集成在一个壳体中，壳体自上而下包括上壳体1、中壳体2、下壳体3，中壳体2上端通过盖板11与上壳体1固定连接，中壳体2下端与下壳体3固定连接；
吸振系统包括设置在上壳体1与盖板11之间的质量块12、导向轴13、螺旋弹簧14，以及设置在盖板11与中壳体2之间的空气弹簧、分隔活塞20、螺杆27、下伺服电机28、选择齿轮22、主齿轮24、上伺服电机26；质量块12的下端设置在盖板11上、上端与螺旋弹簧14的下端固定连接，螺旋弹簧14的上端与安装在上壳体1顶部的弹簧座15固定连接；质量块12的两端对称设置有通孔，导向轴13设置两组，两组导向轴13分别穿设在质量块12两端的通孔内，且导向轴13的上下两端分别与上壳体1的顶部和盖板11固定连接(质量块12受导向轴13限制只能沿着导向轴13的轴线方向运动)；弹簧座15通过螺纹配合与上壳体1连接，通过旋转弹簧座15使弹簧座15沿着上壳体1的回转轴线运动，通过调整弹簧座15的位置，进而调整螺旋弹簧14的压缩量。
空气弹簧和螺旋弹簧并联设置、共同支撑质量块12，空气弹簧的气室由中壳体2、盖板11以及盖板11与质量块12之间的密封膜上压板16、密封膜17、密封膜下压板18围成的密闭空间组成(密闭空间内充以压缩空气，气室与外界无气体交换，外部无需提供气源)，空气弹簧的气室内部设置一个可上下移动的分隔活塞20，分隔活塞20将空气弹簧的气室分隔为上气室、下气室，上气室由盖板11、密封膜上压板16、密封膜17、密封膜下压板18、分隔活塞20以及中壳体2的上部组成，下气室由分隔活塞20和中壳体2下部组成，上气室、下气室的容积比通过分隔活塞20上、下运动改变；密封膜17设置于盖板11与密封膜上压板16中间，以及质量块12与密封膜下压板18中间，盖板11与密封膜上压板16固定连接从而压紧密封膜17，质量块12与密封膜下压板18固定连接从而压紧密封膜17。
分隔活塞20上设置一个螺纹孔202，螺杆27穿过分隔活塞20上的螺纹孔202，且螺杆27的下部与下伺服电机28的输出轴固定连接、上部与盖板11上的沉孔配合连接，下伺服电机28固定在下电机支架29上，下电机支架29与中壳体2固定连接；通过下伺服电机28输出轴的旋转带动螺杆27旋转，当下伺服电机28驱动螺杆27旋转时，由于螺杆27与分隔活塞20上的螺纹配合，分隔活塞20沿着螺杆27轴线上下移动，通过分隔活塞20的移动改变上、下两个气室的容积，调整空气弹簧的刚度和阻尼特性，使吸振器达到最佳的减振效果；选择齿轮22可转动地安装在分隔活塞20上，上气室、下气室通过分隔活塞20上的节流孔201及选择齿轮22上的通气孔221连通，主齿轮24与选择齿轮22啮合且主齿轮24与上伺服电机26的输出轴固定连接，上伺服电机26固定在上电机支架25上，上电机支架25与分隔活塞20固定连接；通过上伺服电机26旋转带动主齿轮24旋转，主齿轮24旋转带动选择齿轮22旋转，使选择齿轮22转动到不同的位置。
主控系统包括设置在中壳体2与下壳体3之间的穿墙插座30、电源31、主控板卡32和传感器33，穿墙插座30与中壳体2固定连接，连接面上涂抹密封胶保证气密性，用于主控板卡32和下伺服电机28、上伺服电机26间的电气连接；电源31、主控板卡32和传感器33与下壳体3固定连接，传感器33用于监测下壳体3的振动信号，并将振动信号传递给主控板卡32，主控板卡32用于读取下伺服电机28、上伺服电机26上编码器的读数，并根据下壳体3的振动信号计算出下壳体3同时也是被减振设备的振动频率(被测减振设备与中壳体2固定连接，中壳体2与下壳体3固接)，根据振动频率得出合适的刚度和阻尼系数，进而驱动下伺服电机28、上伺服电机26运动，调整空气弹簧的刚度和阻尼特性，使吸振器达到最佳的减振效果。
如图2所示，分隔活塞20上开有一系列不同面积大小不同的节流孔201，气体流进节流孔201时产生节流效应(不同的节流孔201节流效果不同)，如图3所示，选择齿轮22上设有一个通气孔221(通气孔221的开口面积较大，不具有节流效应)，通过旋转选择齿轮22到不同位置，使通气孔221与某一节流孔201重合，上气室、下气室通过该节流孔201及通气孔221连通。
分隔活塞20中心设有一凸起的连接轴，选择齿轮22通过压圈23与该连接轴配合连接(选择齿轮22与分隔活塞20同轴设置)，压圈23与连接轴固定连接。
分隔活塞20位于中壳体2的内部，分隔活塞20的外围固定设置密封圈21，密封圈21与中壳体2密封接触(分隔活塞20与中壳体2之间通过密封圈21密封)。
如图4所示，下伺服电机28根据主控板卡32的驱动指令旋转，带动螺杆27转动，螺杆27与分隔活塞20上的螺纹孔202配合，因此会使分隔活塞20沿着自身的轴线上、下运动。上伺服电机26根据主控板卡32的驱动指令旋转，带动主齿轮24转动，主齿轮24和选择齿轮22啮合，由此带动选择齿轮22转动。当选择齿轮22旋转到通气孔221与某一节流孔201重合，上气室、下气室通过该节流孔201及通气孔221连通，实现上气室、下气室的气体流通，改变空气弹簧的上、下两个气室中的气体交换的速度，即改变空气弹簧的阻尼效果。
本发明工作流程如图5所示，将被测减振设备与中壳体2固定连接，首先利用传感器33来监测被减振设备的振动信号，并将该振动信号传递给主控板卡32；主控板卡32根据该振动信号计算被减振设备当前振动频率fc，随后判断当前振动频率fc较上一周期频率fb的变化是否超过阈值，即是否满足|fc-fb|＞Δf(Δf是用户设置的阈值，可设置为1Hz)。若当前振动频率fc较上一周期频率fb的变化超过阈值，则根据当前振动频率fc查找最优参数，即上伺服电机26、下伺服电机28所需的旋转角度，进而主控板卡32根据该最优参数驱动上伺服电机26、下伺服电机28旋转到指定位置，然后等待间隔时间T，再进入下一个循环监测及控制；若当前振动频率fc较上一周期频率fb的变化不超过阈值，则不调整，等待间隔时间T后进入下一个循环监测及控制。
间隔时间T根据实际工况来设置，若实际工况变化较快则应设置较短的间隔时间T，若实际工况变化较慢则设置较长的间隔时间T。通过设置间隔时间T，可以避免上伺服电机26、下伺服电机28频繁的动作，一方面节省能源使吸振器的续航能力提高，另一方面可以延长吸振器的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应吸振器，其特征在于：包括吸振系统和主控系统两大部分，吸振系统和主控系统集成在一个壳体中，壳体自上而下包括上壳体、中壳体、下壳体，中壳体上端通过盖板与上壳体固定连接，中壳体下端与下壳体固定连接；
所述吸振系统至少包括设置在上壳体与盖板之间的质量块、螺旋弹簧，以及设置在盖板与中壳体之间的空气弹簧、分隔活塞、螺杆、下伺服电机、选择齿轮、主齿轮、上伺服电机；所述质量块的下端设置在盖板上、上端与螺旋弹簧的下端固定连接，螺旋弹簧的上端与安装在上壳体顶部的弹簧座固定连接；
所述空气弹簧和螺旋弹簧共同支撑质量块，空气弹簧的气室由中壳体、盖板以及盖板与质量块之间的密封膜上压板、密封膜、密封膜下压板围成的密闭空间组成，空气弹簧的气室内部设置一个可上下移动的分隔活塞，分隔活塞将空气弹簧的气室分隔为上气室、下气室，上气室由盖板、密封膜上压板、密封膜、密封膜下压板、分隔活塞以及中壳体的上部组成，下气室由分隔活塞和中壳体下部组成，上气室、下气室的容积比通过分隔活塞上、下运动改变；所述分隔活塞上设置一个螺纹孔，螺杆穿过分隔活塞上的螺纹孔，且螺杆的下部与下伺服电机的输出轴固定连接、上部与盖板上的沉孔配合连接；选择齿轮可转动地安装在分隔活塞上，上气室、下气室通过分隔活塞上的节流孔及选择齿轮上的通气孔连通，主齿轮与选择齿轮啮合且主齿轮与上伺服电机的输出轴固定连接；
所述主控系统包括穿墙插座、电源、主控板卡和传感器，所述传感器用于监测下壳体的振动信号，并将振动信号传递给主控板卡；所述主控板卡用于读取下伺服电机、上伺服电机上编码器的读数，并驱动下伺服电机、上伺服电机运动，调整空气弹簧的刚度和阻尼特性。
2.根据权利要求1所述的自适应吸振器，其特征在于：所述吸振系统还包括导向轴，质量块的两端对称设置有通孔，导向轴设置两组，两组导向轴分别穿设在质量块两端的通孔内，且导向轴的上下两端分别与上壳体的顶部和盖板固定连接。
3.根据权利要求1所述的自适应吸振器，其特征在于：所述弹簧座通过螺纹配合与上壳体连接，通过旋转弹簧座使弹簧座沿着上壳体的回转轴线运动，通过调整弹簧座的位置，进而调整螺旋弹簧的压缩量。
4.根据权利要求1所述的自适应吸振器，其特征在于：所述密封膜设置于盖板与密封膜上压板中间，以及质量块与密封膜下压板中间，盖板与密封膜上压板固定连接从而压紧密封膜，质量块与密封膜下压板固定连接从而压紧密封膜。
5.根据权利要求1所述的自适应吸振器，其特征在于：所述分隔活塞上开有一系列不同面积大小不同的节流孔，气体流进节流孔时产生节流效应，选择齿轮上设有一个通气孔，通过旋转选择齿轮到不同位置，使通气孔与某一节流孔重合，上气室、下气室通过该节流孔及通气孔连通。
6.根据权利要求1所述的自适应吸振器，其特征在于：所述分隔活塞中心设有一凸起的连接轴，选择齿轮通过压圈与该连接轴配合连接，压圈与连接轴固定连接。
7.根据权利要求1所述的自适应吸振器，其特征在于：所述分隔活塞位于中壳体的内部，分隔活塞的外围固定设置密封圈，密封圈与中壳体密封接触。
8.根据权利要求1所述的自适应吸振器，其特征在于：所述上伺服电机固定在上电机支架上，上电机支架与分隔活塞固定连接。
9.根据权利要求1所述的自适应吸振器，其特征在于：所述下伺服电机固定在下电机支架上，下电机支架与中壳体固定连接。
10.根据权利要求1所述的自适应吸振器，其特征在于：所述穿墙插座与中壳体固定连接，电源、主控板卡和传感器与下壳体固定连接。
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